Реактивно-парогазовая электростанция
Изобретение относится к электроэнергетике, в частности к конструкциям стационарных тепловых электростанций большой и средней мощности. В изобретении энергия сожженного топлива используется трижды: создает реактивную тягу, отрабатывает в газовой турбине и производит пар для паровой турбины, что позволяет, суммируя три КПД - реактивного двигателя, газовой и паровой турбины, получить высокий КПД электростанции. В реактивно-газотурбинном цикле могут быть подключены от одного до трех однотипных электрогенераторов в зависимости от необходимой мощности. Для парового цикла мощность электрогенератора подбирается и зависит от тепла, выделяемого реактивно-газотурбинным циклом. Линейные размеры силовой установки, преобразующей тепловую энергию топлива в механическую, масштабируют в зависимости от мощности проектируемой электростанции. Изобретение позволяет упростить конструкцию и технологию изготовления, ремонт и обслуживание электростанции. 4 ил.
Изобретение относится к электроэнергетике, в частности к конструкциям стационарных тепловых электростанций большой и средней мощности.
Уровень техники
Наиболее близкой к изобретению - реактивно-парогазовая электростанция, далее в тексте РПГЭ, по функционированию является ПГУ парогазовая установка V94.2, разработка Siemens и ее российский лицензионный аналог ГТЭ-160, КПД 58%. В ПГУ тепло топлива, сожженного в газовой турбине, работает дважды. Сначала в самой газовой турбине. А затем в паровой турбине, пар для которой генерируется при охлаждении отработавших на первой газовой турбине продуктов. В газотурбинном цикле ПГУ предельно компактна, КПД достигает 38%. В паровом цикле, где добирается еще 20%, конструкция утяжеляется за счет парового котла, паровой турбины, конденсатора и системы водоподготовки.
Сущность изобретения
В изобретении РПГЭ энергия сожженного топлива используется трижды создает реактивную тягу, отрабатывает в газовой турбине и производит пар для паровой турбины. Что позволяет, суммируя три КПД - реактивного двигателя, газовой и паровой турбины, получить небывало высокий КПД.
В РПГЭ в сравнении с ПГУ нет высокотехнологичных и дорогих газовых турбин, изготавливаемых по авиационным технологиям, что положительно отражается на цене конечного продукта.
Отсутствие трущихся частей в конструкции повышает износостойкость и ресурс РПГЭ.
При проектировании электростанций большой мощности конструкция РПГЭ позволяет использовать существующие электрогенераторы, не разрабатывая новые. В реактивно-газотурбинном цикле могут быть подключены от одного до трех однотипных электрогенераторов в зависимости от необходимой мощности. Для парового цикла мощность электрогенератора подбирается и зависит от тепла, выделяемого реактивно-газотурбинным циклом. Линейные размеры силовой установки, преобразующей тепловую энергию топлива в механическую, масштабируют в зависимости от мощности электростанции.
Запуск электростанции производится на природном или сжиженном газе. После набора рабочей температуры РПГЭ может работать и на более дешевом жидком углеводородном топливе, которое сжигается с избытком атмосферного кислорода, что не требует дополнительных расходов на утилизацию выхлопных газов.
Ремонт и обслуживание всех узлов РПГЭ производится на месте расположения электростанции-изготовителе, что требует времени на ремонт, транспортировку в два конца и иметь в наличии запасную газовую турбину.
Простота конструкции и технологий изготовления РПГЭ дает возможность перепрофилировать любой металлообрабатывающий завод на производство электростанций данного вида, без особых материальных затрат.
Устройство и принцип работы РПГЭ поясняется чертежами /Фиг.1-4./, где на Фиг.1-3 изображен разрез электростанции по оси вращения силовой установки в различных локализациях и масштабах. На Фиг.4. изображен разрез реактивно-газотурбинной силовой установки, обозначенный на Фиг.1. линией /А-А/. Корпус электростанции изготовлен из монолитной железобетонной конструкции. Электростанция состоит:
1. верхняя часть корпуса электростанции служит для отвода выхлопных газов и отражения звуковых волн работающей силовой установки /Фиг.1/.
2. фундаментная часть электростанции /Фиг.1/.
3. грунт, на котором построена электростанция /Фиг.1/.
4. воздушный электроприводной осевой компрессор /Фиг.1/.
5. канал для проводки электрического кабеля /Фиг.1/.
6. воздуховод /Фиг.1./.
7. четыре опоры для фиксации воздуховода в корпусе электростанции, расположенные под углом 90 градусов относительно друг друга /Фиг.1/.
8. приспособление для фиксации и регулировки расположения по высоте воздуховода в корпусе электростанции /Фиг.1/.
9. электродвигатель воздушно-центробежного дожимного компрессора /Фиг.1/.
10. крепления электродвигателя к воздуховоду 6 имеют обтекаемую форму минимально препятствующую прохождению воздушного потока /Фиг.1/.
11. эластичная муфта, передающая вращение от вала электродвигателя к валу центробежного компрессора /Фиг.2/.
12. вал электродвигателя 9 /Фиг.2/.
13. вал центробежного компрессора /Фиг.2/.
14. втулка вала центробежного компрессора /Фиг.1/.
15. крыльчатка центробежного компрессора, насаженная на вал центробежного компрессора 13 /Фиг.2/.
16. четыре крепления втулки 14 к крышке центробежного компрессора 23 расположены под углом 90 градусов относительно друг друга, обтекаемы вертикальному потоку воздуха /Фиг.2/.
17. клеммы подключения высокого напряжения для свечей зажигания /Фиг.2/.
18. изолятор, предотвращающий электрический пробой на корпус воздуховода 6 /Фиг.2/.
19. проводник высокого напряжения /Фиг.2/.
20. воздушный кольцевой зазор между неподвижным корпусом воздуховода 6 и вращающейся крышкой центробежного компрессора 23 /Фиг.2/.
21. пластинчатый скользящий контакт, прикрепленный к проводнику высокого напряжения 19 для передачи импульсов высокого напряжения к свечам зажигания /Фиг.2/.
22. свечи электрического зажигания для запуска реактивного двигателя /Фиг.2/.
23. верхняя крышка центробежного компрессора, нижняя сторона которой повторяет рельеф лопастей крыльчатки с минимальным воздушным зазором /Фиг.2/.
24. топливная форсунка реактивного двигателя /Фиг.2-3/ подает топливо в виде сотни мелких струй.
25. корпус камеры сгорания с отверстиями для подачи сжатого воздуха /Фиг.2-3/.
26. изогнутая полость сопла реактивного двигателя /Фиг.2-3/.
27. верхнее кольцо крепления лопаток газовой турбины /Фиг.3/.
28. нижнее кольцо крепления лопаток газовой турбины /Фиг.3/.
29. лопатки газовой турбины имеют дугообразный изгиб. Вогнутые стороны лопаток обращены в сторону действия газовой струи /Фиг.3-4/.
30. кольцеобразный паровой котел /Фиг.3-4/.
31. трубопровод для закачки воды /Фиг.1, 4/.
32. трубопровод для отвода пара /Фиг.1, 4/.
33. нижняя крышка центробежного компрессора /Фиг.3/.
34. канал подачи топлива /Фиг.3/.
35. цилиндрический корпус центробежного компрессора /Фиг.3-4/ с двумя отверстиями на боковых поверхностях для вставки и крепления двух разнонаправленных сопел реактивного двигателя.
36. внутренняя стенка кольцеобразного парового котла /Фиг.3-4/.
37. двенадцать креплений турбинного колеса к полому валу газовой турбины, расположенных под углом 30 градусов друг к другу /Фиг.3/.
38. осевая втулка с подшипниками, наружная часть которой неподвижно соединена с железобетонной конструкцией электростанции /Фиг.3/.
39. полый вал газовой турбины /Фиг.3/.
40. коническая шестерня полого вала газовой турбины /Фиг.2-3/.
41. вал реактивного двигателя запрессован в нижнюю крышку центробежного компрессора 33 /Фиг.2-3/.
42. коническая шестерня вала реактивного двигателя /Фиг.2-3/.
43. коническая шестерня электрогенератора /Фиг.2-3/.
44. электрогенератор /Фиг.2-3/.
45. стык вращающегося и неподвижного топливного канала выполнен из стали и латуни. /Фиг.2/.
46. разъем для подвода топлива /Фиг.2/.
47. пружина, уплотняющая стык 45 /Фиг.2/.
48. направляющая неподвижного топливного канала /Фиг.2/.
49. платформа для крепления электрогенератора 44, установки подшипников вала 41 и подвода топлива /Фиг.2/.
50. сопла реактивного двигателя /Фиг.4/.
Принцип работы
Топливо сжигается в специальном воздушно-реактивном двигателе, отличающемся от традиционных ТВРД отсутствием турбокомпрессора и наличием двух разнонаправленных сопел 50 /Фиг.4/. Для запуска электростанции, вращая вал 41, совмещают свечи зажигания 22 со скользящими контактами 21 /Фиг.2/. Подается питающее напряжение к электродвигателю воздушно-осевого компрессора 4 /Фиг.1/. Производительность компрессора 4, перекрыв потери воздуха через воздушный кольцевой зазор 20 и воздушные отверстия двух камер сгорания 25 /Фиг.2/, создает повышенное давление воздуха в воздуховоде 6 /Фиг.1/. Электрический кабель, питающий электродвигатель центробежного компрессора 9 /Фиг.1/ и клеммы зажигания 17 /Фиг.2/, проложен в полости воздуховода 6 через канал 5 /Фиг.1./. Далее подключается питание к электродвигателю 9 /Фиг.1/. Вращение вала 12 /Фиг.2/ через муфту 11 и вал 13 передается на крыльчатку 15 /Фиг.2/. Взаимодействие верхней крышки 23 и крыльчатки 15 /Фиг.2/ дожимает воздух в полость центробежного компрессора, образованной деталями 23, 25, 33, 35 /Фиг.2/. Сжатый воздух по отверстиям в корпусах камер сгорании 25 поступает в полости камер сгорания и разнонаправленных сопел 26 /Фиг.2, 4./. Перечень выше произведенных действий обеспечивает безопасность запуска электростанции и называется продувкой. После продувки, продолжающейся 5-10 минут, к клеммам 17 /Фиг.2/ подается высокое напряжение с частотой 50 Гц, которое по проводникам 19, скользящим контактам 21 подводится к центральным электродам свеч зажигания 22 /Фиг.2/. Для запуска электростанции используется сжиженный или природный газ, который подается через разъем 46, стык 45 и топливный канал 34 в форсунки 24 /Фиг.2/. Образовавшаяся газо-воздушная смесь воспламеняется свечами зажигания 22. Сгорая, газо-воздушная смесь резко увеличивается в объеме и с большой скоростью, пройдя изогнутые полости 26, истекает из сопел 50 /Фиг.4/. Силы реактивной тяги разнонаправленных сопел 50 /Фиг.4/, действуя рычагами, равными расстоянию от центра вращения вала 41 до центра сопла 50 /Фиг.4/, способствуют вращению вала 41 /Фиг.3/. Мощность реактивного двигателя мгновенно изменяема и зависит от количества подаваемого топлива, что позволяет поддерживать постоянные обороты электрогенератора независимо от его загруженности. Отработав в реактивном двигателе, струи газа из сопел 50 попадают на лопатки газовой турбины 29 /Фиг.3-4/ и внутреннюю стенку кольцеобразного парового котла 36 /Фиг.3-4./. Под действием сил кинетической энергии двух струй газа рабочее колесо газовой турбины, образованное деталями 27, 28 и 29 /Фиг.3./, приобретает вращательное движение. Вращение колеса газовой турбины через крепления 37 передается полому валу газовой турбины 39 /Фиг.3/. В результате получаем: вращение вала 41 и шестерни 42 по часовой стрелке, вращение вала 39 с шестерней 40 против часовой стрелки и обогрев парового котла 30 по внутренней стенке 36 /Фиг.3/. Для наиболее полной передачи кинетической энергии струи газа лопаткам газовой турбины линейная скорость лопаток должна быть в два раза меньше скорости струи газа. Что в данной конструкции газовой турбины легко достижимо, так как сопла реактивного двигателя 50 и лопатки газовой турбины 29 /Фиг.4/, вращаются в противоположном направлении. К примеру если линейные скорости лопаток 29 и сопел 50 /Фиг.4/ относительно друг друга равны 200 м/с, то скорость истечения газа из сопел 50 должна быть 300 м/с Большие, не менее трех метров радиусы вращения сопел 50 и лопаток 29 /Фиг.4/, позволяют сообщать им большие линейные скорости. Из формулы определения центробежных сил:
видно, что чем больше значение радиуса вращения R, тем меньше разрушающая центробежная сила F. Кроме увеличения радиусов вращения сопел и лопаток, возможно снизить скорость реактивной струи, увеличив диаметр сопла. Например, турбореактивный и турбовентиляторный двигатели, сжигая одинаковое количество топлива, имеют различные скорости реактивной струи газа. Турбовентиляторный двигатель в сравнении с турбореактивным, обладая меньшей скоростью истечения газов реактивной струи и большим сечением сопла, имеет более высокий КПД при дозвуковых скоростях полета. Мощность реактивного двигателя и газовой турбины через конические шестерни 40 и 42, суммируясь, передается конической шестерне электрогенератора 43 /Фиг.2/. Одновременно шестерни 40, 42 и 43 образуют редуктор, который позволяет согласовывать оптимальные обороты реактивно-газотурбинной силовой установки с необходимыми оборотами электрогенератора 44 /Фиг.3/. Пространство вокруг конических шестерен 40 и 42 /Фиг.3/ допускает устанавливать три однотипных электрогенератора, расположив их оси под углами 120 градусов. Для поддерживания стабильной частоты вырабатываемой электроэнергии используется центробежный регулятор подачи топлива, который на схемах не изображен. Мгновенному изменению мощности реактивно-газотурбинной силовой установки РПГЭ способствует отсутствие турбокомпрессора, на раскрутку которого требуется время. После запуска силовой установки на газе и набора рабочей температуры возможно переключение на жидкое углеводородное топливо, где топливо из канала 34 по топливному проводу подается в испаритель и в виде пара поступает в форсунки 24 /Фиг.2/. Испаритель топлива на схемах не изображен. Одновременно работа реактивно-газотурбинной силовой установки сопровождается обогревом парового котла 30 по внутренней стенке 36 /Фиг.3-4/. Пар, образующийся в паровом котле 30, используется для работы в дополнительной паровой электростанции, которая в /Фиг.1-4/ не обозначена. После запуска электростанции РПГЭ питание электродвигателей осевого и центробежного воздушных компрессоров производится от выработанной электростанцией электроэнергии. КПД электростанции состоит из суммы трех КПД: реактивного двигателя, газовой и паровой турбины. Плюс горячая вода на технические нужды от системы охлаждения конденсатора паровой турбины. Отсутствие турбокомпрессора в реактивном двигателе РПГЭ позволяет увеличить рабочую температуру камер сгорания, что приводит к повышению КПД. Предполагаемый КПД реактивного двигателя 38-40%, газовой турбины 38-40%, паровой турбины 10-15%. Общий КПД электростанции может достигать 90%.
Реактивно-парогазовая электростанция, содержащая фундаментную часть и верхнюю часть корпуса, служащую для отвода выхлопных газов и отражения звуковых волн при работе, электроприводные осевой и центробежный компрессоры, воздуховод с опорами и приспособлением для фиксации и регулировки расположения по высоте в корпусе электростанции, реактивный двигатель с корпусами камер сгорания с отверстиями для подачи сжатого воздуха, топливными форсунками, свечами зажигания и разнонаправленными соплами, газовую турбину с верхним и нижним кольцами крепления лопаток колеса, имеющих дугообразный изгиб, причем вогнутые стороны лопаток обращены в сторону действия газовых струй, при этом сопла реактивного двигателя и лопатки газовой турбины вращаются в противоположном направлении, кольцеобразный паровой котел с трубопроводами для закачки воды и отвода пара и внутренней стенкой, на которую попадают газовые струи, центробежный регулятор подачи топлива, испаритель и электрогенератор с конической шестерней, при этом центробежный компрессор имеет верхнюю крышку, нижняя сторона которой повторяет рельеф лопастей крыльчатки с воздушным зазором, цилиндрический корпус с двумя отверстиями на боковых поверхностях для крепления сопел реактивного двигателя и нижнюю крышку, турбина имеет полый вал с конической шестерней, а вал реактивного двигателя запрессован в нижнюю крышку центробежного компрессора и также имеет коническую шестерню, причем упомянутые конические шестерни образуют редуктор, который позволяет согласовать оптимальные обороты реактивного двигателя и турбины с необходимыми оборотами электрогенератора.
